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1,發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離 第一講,2,預(yù)處理和固液分離內(nèi)容,固液分離,發(fā)酵液,胞外 上清液/濾液,預(yù)處理,提取生化物質(zhì)的第一步,分兩部分:,胞內(nèi) 富集細(xì)胞,3,發(fā)酵液成分很復(fù)雜,包含菌(細(xì)胞)體,胞內(nèi)外代謝產(chǎn)物,及剩余的培養(yǎng)基殘分等。 不管人們所需要的產(chǎn)物是胞內(nèi)還是胞外,都首先要進(jìn)行培養(yǎng)液的預(yù)處理和固液分離開(kāi),才能進(jìn)行后續(xù)操作: 對(duì)于胞外產(chǎn)物,可先將菌體或其他懸浮雜質(zhì)去處,才能從澄清的濾液中提取代謝產(chǎn)物。 對(duì)于胞內(nèi)產(chǎn)物,首先富集菌體,再進(jìn)行細(xì)胞破碎和碎片分離,然后提取胞內(nèi)產(chǎn)物。,4,14.1 發(fā)酵液的預(yù)處理(Pretreatment ),5,為何要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理?,發(fā)酵液的基本特性 發(fā)酵產(chǎn)物濃度較低,大多為1-10%, 懸浮物顆粒小,細(xì)胞的相對(duì)密度與培養(yǎng)液相似。 固體粒子可壓縮性大 液相粘度大,大多為非牛頓型流體; 懸浮狀態(tài)穩(wěn)定:雙電層、水化膜、布朗運(yùn)動(dòng),6,為何要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理?,固液分離方法主要是過(guò)濾和離心。 對(duì)于細(xì)菌及某些放線菌,菌體細(xì)小,液體粘度大,不能直接過(guò)濾,若用高速離心,能耗很大,設(shè)備昂貴。若用膜分離技術(shù)(如微濾)易產(chǎn)生膜污染,通量降低。 發(fā)酵液中由于菌體自溶,核酸、蛋白質(zhì)及其它有機(jī)粘性物質(zhì)的存在也會(huì)影響固液分離。 因而尋找一種經(jīng)濟(jì)有效的方法來(lái)提高固液分離速度顯得十分必要。,7,預(yù)處理的目的,預(yù)處理的目的:促進(jìn)從懸浮液中分離固形物的速度,提高固液分離的效率: 改變發(fā)酵液的物理性質(zhì),包括增大懸浮液中固體粒子的尺寸,降低液體黏度。 相對(duì)純化,去除發(fā)酵液中的部分雜質(zhì)(高價(jià)無(wú)機(jī)離子和雜蛋白質(zhì)),以利于后續(xù)各步操作。 盡可能使產(chǎn)物轉(zhuǎn)入便于后處理的一相中(多數(shù)是液相);,8,預(yù)處理的方法,凝聚和絮凝 Coagulation and flocculation 加熱法 Heating 調(diào)節(jié)懸浮液的pH值 Regulation of pH 雜蛋白的去除 Removal of useless protein 高價(jià)無(wú)機(jī)離子的去除 Removal of inorganic ion 助濾劑Filter aids和反應(yīng)劑 Reactant,9,一 凝聚和絮凝在發(fā)酵液預(yù)處理中的應(yīng)用,凝聚與絮凝處理過(guò)程就是將化學(xué)藥劑預(yù)先投加到懸浮液中,改變細(xì)胞、菌體和蛋白質(zhì)等膠體粒子的分散狀態(tài),破壞其穩(wěn)定性,使其聚集起來(lái),增大體積以便固液分離。 凝聚和絮凝技術(shù)常用于菌體細(xì)小而且黏度大的發(fā)酵液的預(yù)處理中。,10,凝聚和絮凝是兩種方法,兩個(gè)概念。 凝聚:指在投加的化學(xué)物質(zhì)(鋁、鐵的鹽類(lèi))作用下,膠體脫穩(wěn)并使粒子相互聚集成 mm 大小塊狀凝聚體的過(guò)程。 絮凝:指使用絮凝劑(天然的和合成的大分子量聚電解質(zhì))將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng),形成10 mm大小絮凝團(tuán)的過(guò)程。其中絮凝劑主要起架橋作用。,凝聚和絮凝,11,凝聚:膠體粒子在中性鹽促進(jìn)下脫穩(wěn)相互聚集成大粒子(1mm) 機(jī)理: 1)中和粒子表面電荷 2)消除雙電層結(jié)構(gòu) 3)破壞水化膜,(一) 凝 聚 Coagulation,12,發(fā)酵液中菌體表面帶有負(fù)電荷,由于靜電引力使溶液中反離子被吸附在其周?chē)诮缑嫔闲纬闪穗p電層。 正離子同時(shí)受到使它們均勻分布的熱運(yùn)動(dòng)影響,具有離開(kāi)膠粒表面的趨勢(shì)。,膠體雙電層結(jié)構(gòu),13,兩種相反作用力下,雙電層分裂成兩部: 1)吸附層或stern層;2)擴(kuò)散層。 形成了擴(kuò)散雙電層的結(jié)構(gòu)模型(Gouy-Chapman-Stern model)。,膠體雙電層結(jié)構(gòu),14,膠體雙電層結(jié)構(gòu),不同界面上形成不同的電位: 膠核表面的電位s是整個(gè)雙電層的電位; Stern平面上的電位為d; 滑移面上的電位為,稱(chēng)電位(電動(dòng)電位)。,15,電位的計(jì)算:,D 水的介電常數(shù); q 膠體的電動(dòng)電荷密度,即滑移面上的電荷密度; 擴(kuò)散層的有效厚度,即為吸附層和擴(kuò)散層界面處電位d降低到其值為1/e處的距離,不能直接測(cè)定. 電位是控制膠粒間電排斥作用的電位,用來(lái)表征雙電層的特征,并作為研究凝聚機(jī)理的重要參數(shù)。,16, 擴(kuò)散層的有效厚度,式中 N- 阿伏伽德羅常數(shù); T- 熱力學(xué)溫度: k 波爾茲曼常數(shù); e 電子電荷; Zi i種反離子的化合價(jià); Ci i種離子的摩爾濃度。,17,雙電層與凝聚,由式(141)和式(14-2)可知,電位與擴(kuò)散層厚度和電動(dòng)電荷密度q成正比,而擴(kuò)散層厚度又與溶液中反離子強(qiáng)度和電荷成反比。 對(duì)帶負(fù)電性菌體的發(fā)酵液,高價(jià)陽(yáng)離子的存在,可壓縮擴(kuò)散層的厚度,促使電位迅速降低,而且化合價(jià)越高,這種影響越顯著。,18,凝聚價(jià)或凝聚值,在發(fā)酵液中加入具有高價(jià)陽(yáng)離子的電解質(zhì),能脫除膠粒表面的水化膜,降低電位,使雙電層的排斥力減少,當(dāng)不足以抗衡膠粒間的范德華引力時(shí),由于熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果導(dǎo)致膠粒的互相碰撞而聚集起來(lái)。 電解質(zhì)的凝聚能力可用凝聚價(jià)或凝聚值來(lái)表示,使膠粒發(fā)生凝聚作用的最小電解質(zhì)濃度(毫摩爾升),稱(chēng)為凝聚價(jià)或凝聚值。,19,SchulzeHardy法則:反離子的價(jià)數(shù)越高,凝聚價(jià)越小,即凝聚能力越強(qiáng)。 陽(yáng)離子對(duì)帶負(fù)電荷的膠粒凝聚能力受化合價(jià)、水化半徑、離子運(yùn)動(dòng)能力的影響,次序?yàn)?Al3+ Fe3+ H+ Ca2+ Mg2+ K+ Na+ Li+,20,常用的凝聚劑電解質(zhì)有:,硫酸鋁 Al2(SO4)318H2O(明礬); 氯化鋁 AlCl36H2O; 三氯化鐵 FeCl3; 硫酸亞鐵 FeSO47H2O ; 石灰;ZnSO4;MgCO3,21,絮凝:大分子聚電解質(zhì)將膠體粒子交聯(lián)成網(wǎng)狀,形成絮凝團(tuán)的過(guò)程 機(jī)理:架橋作用 采用絮凝法可形成粗大的絮凝體,使發(fā)酵液較易分離。,(二)絮 凝 flocculation,22,絮凝劑是一種能溶于水的高分子聚合物,其相對(duì)分子質(zhì)量可高達(dá)數(shù)萬(wàn)至一千萬(wàn)以上,長(zhǎng)鏈狀結(jié)構(gòu),其鏈節(jié)上含有許多活性官能團(tuán),包括離子基團(tuán)以及非離子型基團(tuán)。 它們通過(guò)靜電引力、范德華引力或氫鍵的作用,強(qiáng)烈地吸附在膠粒的表面。 當(dāng)一個(gè)高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同的膠粒表面上,產(chǎn)生架橋聯(lián)結(jié)時(shí),就形成較大絮團(tuán),產(chǎn)生絮凝作用。,絮 凝,23,高分子絮凝劑的吸附架橋作用,24,可分為三類(lèi):人工合成有機(jī)高分子聚合物、天然有機(jī)高分子聚合物、無(wú)機(jī)高分子聚合物 1)目前常用的是人工合成有機(jī)高分子聚合物,如聚丙烯酰胺類(lèi)衍生物、聚乙烯亞胺衍生物;聚丙烯酸類(lèi)和聚苯乙烯類(lèi)衍生物。,工業(yè)上使用的絮凝劑,25,高分子聚合物絮凝劑根據(jù)活性基團(tuán)在水中解離情況不同,可分為三類(lèi):陰離子型(含有羧基)、陽(yáng)離子型(含有胺基) 、非離子型,26,聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑的優(yōu)點(diǎn) 用量少,一般以mg/L計(jì)量; 絮凝體粗大,分離效果好; 絮凝速度快; 種類(lèi)多,適用范圍廣。,聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑的缺點(diǎn): 存在一定的毒性,特別是陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺,用于食品和醫(yī)藥工業(yè)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。,目前最常見(jiàn):聚丙烯酰胺類(lèi)絮凝劑,27,2)天然有機(jī)高分子絮凝劑,人工合成有機(jī)高分子絮凝劑雖然發(fā)展很快,但還存在著殘留單體有毒,生物降解難等問(wèn)題,所以其應(yīng)用受到了限制。天然有機(jī)高分子絮凝劑具有無(wú)毒,易生物降解,原料來(lái)源廣等優(yōu)點(diǎn)。 天然有機(jī)高分子改性絮凝劑根據(jù)其原料來(lái)源不同可分為淀粉類(lèi)、纖維素類(lèi)、植物膠類(lèi)和聚多糖類(lèi)。 其中淀粉改性絮凝劑的研究開(kāi)發(fā)最引人注目。,28,3)無(wú)機(jī)高分子聚合物,有聚合鐵系和鋁系兩大類(lèi) 鐵系絮凝劑具有操作簡(jiǎn)單、費(fèi)用低,受溫度影響小,親和力強(qiáng),能有效地去除懸浮物、表面活性劑、破壞油水乳狀液的能力很強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)腐蝕性強(qiáng)、穩(wěn)定性差。 鋁系是目前應(yīng)用廣、工藝較成熟的一類(lèi)無(wú)機(jī)金屬鹽絮凝劑,絮凝效果好,缺點(diǎn)具毒性等。,29,微生物絮凝劑,微生物絮凝劑是近年來(lái)研究和開(kāi)發(fā)的新型絮凝劑, 一類(lèi)由微生物或其分泌物產(chǎn)生的具有絮凝細(xì)胞功能的代謝產(chǎn)物。 包括直接利用微生物細(xì)胞的絮凝劑、利用微生物細(xì)胞壁代謝產(chǎn)物的絮凝劑和克隆技術(shù)所獲得的絮凝劑 主要成分是糖蛋白、粘多糖、纖維素及核酸等高分子物質(zhì)。 微生物絮凝劑和天然絮凝劑與化學(xué)合成的絮凝劑相比,最大的優(yōu)點(diǎn)是安全,無(wú)毒和不污染環(huán)境。,30,微生物絮凝劑,1、微生物絮凝劑的商業(yè)化生產(chǎn)始于20世紀(jì)90年代,如紅平紅球菌及由此制成的NOC-1是目前發(fā)現(xiàn)的最佳微生物絮凝劑 2、微生物絮凝劑或?qū)⒋蟛糠痔娲胀ㄐ跄齽?3、浮游藻類(lèi)、草分枝桿茵、硅酸鹽芽孢桿菌。,31,絮凝的影響因素,發(fā)酵液的性質(zhì)(細(xì)胞濃度,表面電荷); 絮凝劑的濃度,最佳用量為粒子表面積約有一 半被聚合物覆蓋; 絮凝劑的分子量; pH 控制; 攪拌速度。,32,對(duì)于帶負(fù)電荷的菌體或蛋白質(zhì)來(lái)說(shuō),采用陽(yáng)離子型高分子絮凝劑同時(shí)具有降低膠粒雙電層電位和產(chǎn)生吸附橋架的雙重機(jī)理,單獨(dú)使用可達(dá)到較好絮凝效果; 對(duì)于非離子型和陰離子型高分子絮凝劑,要采用凝聚和絮凝雙重機(jī)理才能提高過(guò)濾效果。 這種包括凝聚和絮凝機(jī)理的過(guò)程,稱(chēng)為混凝。,(三) 混 凝,33,二 預(yù)處理-加熱,1)加熱降低液體粘度 液體黏度是溫度的指數(shù)函數(shù),升溫是降低黏度的有效措施。流體力學(xué)原理過(guò)速率與液體的粘度成反比,降低液體粘度(加水稀釋法和加熱法等)可有效提高過(guò)濾速率。,加熱是發(fā)酵液預(yù)處理最簡(jiǎn)單最常用的方法。加熱能改善發(fā)酵液的操作特性。,麥芽汁的黏度-溫度曲線。,34,二 預(yù)處理-加熱,2)加熱使蛋白質(zhì)變性凝固 變性蛋白質(zhì)的溶解度小。如檸檬酸發(fā)酵液加熱至80以上,可使蛋白質(zhì)變性凝固,過(guò)濾速度加快。 加熱處理只適用于對(duì)熱較穩(wěn)定的液體。注意加熱溫度與時(shí)間,不影響產(chǎn)物活性和細(xì)胞的完整性。,35,三 預(yù)處理-調(diào)節(jié)pH,pH值直接影響發(fā)酵液中某些物質(zhì)的電離度和電荷性質(zhì),適當(dāng)調(diào)節(jié)pH值可改善其過(guò)濾特性。 細(xì)胞(碎片)及某些膠體物質(zhì)在某個(gè)pH值下也可能趨于絮凝而成為較大顆粒,有利于過(guò)濾的進(jìn)行。 調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH到蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)是除去蛋白質(zhì)的有效方法。大幅度改變pH還能使蛋白質(zhì)變性凝固。 通過(guò)調(diào)整pH值改變膜過(guò)濾中易吸附分子的電荷性質(zhì),可減少膜堵塞和污染; 影響離子型絮凝劑的電離度。,36,四 加入助濾劑(filter aids),一種不可壓縮的多孔微粒, 在發(fā)酵液中加入固體助濾劑,則菌體 可吸附于助濾劑微粒上,助濾劑就作為膠體粒子的載體,均勻地分布于濾餅層中,降低了濾餅的可壓縮性,減小了過(guò)濾阻力。 目前生物工業(yè)中常用的助濾劑是硅藻土,其次是珍珠巖粉、活性炭、石英砂、石棉粉、纖維素、白土等。,37,助濾劑的選擇,(1)粒度 根據(jù)懸浮液中的顆粒和濾液的澄清度確定,一般顆粒較小的濾餅應(yīng)采用細(xì)小的助濾劑。 (2)助濾劑的品種 應(yīng)根據(jù)過(guò)濾介質(zhì)選擇助濾劑品種。使用粗目濾網(wǎng)時(shí)易泄漏,可選擇石棉粉、纖維素;采用細(xì)目濾布時(shí),可使用細(xì)硅藻土; (3)用量 間歇操作時(shí),過(guò)濾介質(zhì)表面預(yù)涂助濾劑,其厚度應(yīng)不小于2mm。 連續(xù)過(guò)濾機(jī)中根據(jù)過(guò)濾速度確定。使用硅藻土?xí)r,通常細(xì)粒為500g/m3,中等粒度700g/m3,粗粒700-1000g/m3。,38,五. 加入反應(yīng)劑,加入某些不影響目標(biāo)產(chǎn)物的反應(yīng)劑,可消除發(fā)酵液中的一些雜質(zhì)對(duì)過(guò)濾的影響,從而提高過(guò)濾速度。 1)加入反應(yīng)劑與某些可溶性鹽類(lèi)發(fā)生反應(yīng)生成不溶性沉淀,生成的沉淀能防止菌絲體粘結(jié),使菌絲具有塊狀結(jié)構(gòu),又能使蛋白質(zhì)凝固,過(guò)濾性能上升,沉淀本身可作為助濾劑.如在新生霉素發(fā)酵液中加入cacl2和Na3po4,生成Ca3(po4)2沉淀。 2)發(fā)酵液中含有不溶性多糖物質(zhì)時(shí),用酶將其轉(zhuǎn)化為單糖,以提高過(guò)濾速率。如萬(wàn)古霉素用淀粉作培養(yǎng)基,發(fā)酵液過(guò)濾前加入0.025%的淀粉酶,攪拌30min后,再加2.5%硅藻土助濾劑,可提高過(guò)濾效率5倍。,39,發(fā)酵液中的雜質(zhì),高價(jià)無(wú)機(jī)離子(Ca2+、Mg2+、Fe2+) 雜蛋白,常規(guī)過(guò)濾或膜過(guò)濾時(shí),易使過(guò)濾介質(zhì)堵塞,影響過(guò)濾效率。 采用離子交換和吸附法提取時(shí)會(huì)降低其交換容量和吸附能力, 有機(jī)溶劑法或雙水相萃取時(shí),易產(chǎn)生乳化,使兩相分離不清。,因此,在預(yù)處理時(shí),應(yīng)盡量除去這些物質(zhì)。,六、發(fā)酵液的相對(duì)純化,在采用離子交換提煉時(shí),會(huì)影響樹(shù)脂對(duì)生化物質(zhì)的交換容量。,40,(一)高價(jià)無(wú)機(jī)離子的去除方法,Ca2+ 草酸、草酸鈉,形成草酸鈣沉淀(注意回收草酸) ; Mg2+三聚磷酸鈉,形成三聚磷酸鈉鎂可溶性絡(luò)合物; Fe2+ 黃血鹽,普魯士蘭沉淀,41,(二)雜蛋白的去除方法,沉淀法 變性法 吸附法,42,1. 雜蛋白去除-沉淀法 precipitation,A 等電點(diǎn)沉淀法 (isoelectric precipitation ) 蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)大都在酸性范圍內(nèi)(pH4.05.5),調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH到蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)是除去蛋白質(zhì)的有效方法。,B. 酸堿調(diào)節(jié),使蛋白質(zhì)與離子形成沉淀 在酸性溶液中,蛋白質(zhì)與一些陰離子形成沉淀,如三氯乙酸鹽、水楊酸鹽、苦味酸鹽等; 在堿性溶液中,蛋白質(zhì)與一些陽(yáng)離子形成沉淀,如Ag+、Cu2+、Zn2+、Fe 3+等。,43,2.雜蛋白去除-變性 Denaturation,蛋白質(zhì)從有規(guī)則的排列變成不規(guī)則結(jié)構(gòu)的過(guò)程稱(chēng)為變性。變性蛋白質(zhì)溶解度較小。 加熱, 大幅度調(diào)節(jié)pH值, 加酒精、丙酮等有機(jī)溶劑或表面活性劑等。,不足之處: 加熱法只適合于對(duì)熱較穩(wěn)定的目的產(chǎn)物; 極端pH值也會(huì)導(dǎo)致某些目的產(chǎn)物失活,且要消耗大量酸堿; 有機(jī)溶劑法通常只適用于所處理的液體數(shù)量較少的場(chǎng)合。,44,2變性,鏈霉素生產(chǎn)中,采用調(diào)pH至酸性(pH3.0),加熱至70,維持半個(gè)小時(shí)的方法來(lái)使蛋白變性,能使過(guò)濾速度增大10-100倍,濾液粘度可降低1/6。 檸檬酸發(fā)酵液,采用加熱至80以上,使蛋白質(zhì)變性凝固和降低發(fā)酵液粘度,從而大大提高了過(guò)濾速度。,45,3.雜蛋白去除- 吸附法 adsorption,加入某些吸附劑或沉淀劑吸附雜蛋白質(zhì)而除去。 四環(huán)類(lèi)抗生素生產(chǎn)中,采用黃血鹽和硫酸鋅的協(xié)同作用生成亞鐵氰化鋅鉀K2Zn3Fe(CN)52的膠狀沉淀來(lái)吸附蛋白質(zhì),利用此法除蛋白質(zhì)已取得很好的效果。 在枯草桿菌發(fā)酵液中,常加入氯化鈣和磷酸氫二鈉,這兩者本身生成龐大的凝膠,把蛋白質(zhì)、菌體及其它不溶性粒子吸附并包裹在其中而除去,從而加快了過(guò)濾速度。,46,思考題,1 發(fā)酵液為何需要預(yù)處理?處理方法有 哪些? 2 凝集與絮凝過(guò)程有何區(qū)別?如何將兩 者結(jié)合使用?,47,第十四章 發(fā)酵液的預(yù)處理和固液分離 第二講,48,上節(jié)課的主要內(nèi)容,發(fā)酵液的預(yù)處理 凝聚 絮凝 加熱 調(diào)pH 高價(jià)無(wú)機(jī)離子的去除 雜蛋白質(zhì)的去除,49,14.2 發(fā)酵液的固液分離,50,一 影響發(fā)酵液固液分離的因素,1)發(fā)酵液中懸浮離子的大小,51,2)發(fā)酵液的黏度viscosity : 固液分離速度通常與粘度成反比,粘度越大,固液分離越困難。影響粘度的因素: 菌體的種類(lèi)和濃度(重要因素),通常絲狀菌、動(dòng)物或植物細(xì)胞懸浮液粘度較大,濃度增大,粘度也提高。 培養(yǎng)液中蛋白質(zhì)、核酸大量存在:通常細(xì)胞破碎或細(xì)胞自溶后粘度增大。因此細(xì)胞破碎的程度應(yīng)控制,發(fā)酵放罐時(shí)間要適宜。 培養(yǎng)基成分:如用黃豆粉、花生粉作氮源,淀粉作碳源,粘度都會(huì)升高。 此外,某些染菌發(fā)酵液,如染細(xì)菌,則粘度會(huì)增大。 發(fā)酵過(guò)程的不正常處理,如大量過(guò)剩的培養(yǎng)基和消沫油加入,都會(huì)使粘度增大。,影響發(fā)酵液固液分離的因素,52,收集胞內(nèi)產(chǎn)物的細(xì)胞或菌體,分離除去液相, 收集含生化物質(zhì)的液相,分離除去固體懸浮物(細(xì)胞、菌體、細(xì)胞碎片、蛋白質(zhì)的沉淀物和它們的絮凝體等)。,固液分離的目的包括兩方面:,53,二 常見(jiàn)的固液分離方法,過(guò)濾 filtration 離心 Centrifugation 膜分離 membrane separation 雙水相萃取 ATPS 擴(kuò)張床吸附 EBA,54,(一) 過(guò) 濾 filtration,過(guò)濾操作是借助于過(guò)濾介質(zhì),在一定的壓力差P作用下,使懸浮液中的液體通過(guò)介質(zhì)的孔道,而固體顆粒被截留在介質(zhì)上,從而實(shí)現(xiàn)固液分離的單元操作。 過(guò)濾介質(zhì)filter medium : 過(guò)濾采用的多孔物質(zhì); 濾漿filter pulp : 所處理的懸浮液; 濾液filtrate : 通過(guò)多孔通道的液體; 濾餅或?yàn)V渣 filter cake:被截留的固體物質(zhì)。,55,濾餅過(guò)濾:,當(dāng)懸浮液通過(guò)濾布時(shí),固體顆粒被濾布阻攔而逐漸形成濾餅(濾渣)。 在濾餅過(guò)濾中,當(dāng)濾餅至一定厚度時(shí)即起主要的過(guò)濾作用 適合于固體含量大于0.1%的懸浮液的過(guò)濾分離。,56,過(guò)濾推動(dòng)力: 懸浮液自身壓強(qiáng)差、重力 懸浮液的外加壓力 過(guò)濾介質(zhì)的抽真空 離心力 過(guò)濾阻力: 介質(zhì)阻力:可視為平變,且一般過(guò)濾初較明顯 濾餅阻力: 濾餅厚度:隨過(guò)濾進(jìn)行而增加 濾餅特性:顆粒形狀、大小。 大多情況下,過(guò)濾阻力主要取決于濾餅阻力。,57,濾餅的質(zhì)量比阻,衡量過(guò)濾特性的主要指標(biāo)是濾餅的質(zhì)量比阻rB ,它表示單位濾餅厚度的阻力系數(shù)。 與濾餅的結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。對(duì)于不可壓縮性濾餅, rB為常數(shù),但對(duì)于可壓縮性濾餅,rB是操作壓力差的函數(shù): rBr(P) m (14-3) r-不可壓縮濾渣的比阻,對(duì)于一定的料液為常數(shù);m-壓縮性指數(shù),一般取0.5-0.8,對(duì)不可壓縮性濾餅m為0。 可壓縮濾餅:形成的濾餅剛性不足,其內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)隨著濾餅的增厚或壓差的增大而變形,空隙率減小.,58,濾餅的質(zhì)量比阻與過(guò)濾關(guān)系,濾餅的比阻值是隨操作壓力差的提高而增大的。 開(kāi)始過(guò)濾時(shí)應(yīng)注意不能很快提高壓差,通常靠液柱的自然壓差進(jìn)料,并應(yīng)緩慢地,逐步地升高壓力,一般在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),壓力差不要超過(guò)0.05 MPa,最后的壓差也不超過(guò)0.30.4 MPa。 若操作壓力控制過(guò)高,由于比阻值的急劇增加,會(huì)使過(guò)濾速度很快下降,以至達(dá)到不能繼續(xù)過(guò)濾的程度。,59,恒壓下的過(guò)濾方程,恒壓下,可壓縮性濾餅的比阻應(yīng)為常數(shù)。如過(guò)濾介質(zhì)的阻力相對(duì)較小可以忽略不計(jì),,q 到瞬間,通過(guò)單位過(guò)濾面積的濾液量,m3; P 壓力差,Pa; 濾液粘度,Pas; rB 濾餅的重量比阻,m/kg; XB 通過(guò)單位體積濾液所形成的濾渣重量(干重),kgm3; 過(guò)濾時(shí)間,s,60,過(guò)濾速度的強(qiáng)化,1降低濾餅比阻力rB 一切能夠降低rB的方法:如添加電解質(zhì)、絮凝劑、凝固劑助濾劑等。 2降低濾液黏度 黏度愈低,過(guò)濾阻力愈小。加熱、去雜蛋白、絮凝、調(diào)PH、選擇合適的放罐時(shí)間。 3降低懸浮液中懸浮固體的濃度 過(guò)濾速度與獲得濾餅體積成反比。因此應(yīng)盡可能降低培養(yǎng)基配料濃度(如玉米粉、豆餅粉的濃度)。 4. 對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行預(yù)處理,改善濾液性質(zhì)。,61,2 過(guò)濾介質(zhì)選擇,過(guò)濾介質(zhì)起過(guò)濾作用,還是濾餅的支撐物。應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和盡可能小的流動(dòng)阻力。 合理選擇過(guò)濾介質(zhì): 過(guò)濾介質(zhì)所能截留的固體粒子大?。和ǔR赃^(guò)濾介質(zhì)的孔徑表示。常用的過(guò)濾介質(zhì)中,纖維濾布所能截留的最小粒子約10m,硅藻土為lm,超濾膜可小于0.5m。 過(guò)濾介質(zhì)的透過(guò)性:是指在一定的壓力差下,單位時(shí)間單位過(guò)濾面積上通過(guò)濾液的體積量,它取決于過(guò)濾介質(zhì)上毛細(xì)孔徑的大小及數(shù)目。,62,過(guò)濾介質(zhì)-織物介質(zhì),又稱(chēng)濾布,應(yīng)用最廣泛,包括由棉、麻等天然纖維濾布和合成纖維濾布。 其過(guò)濾性能受許多因素的影響,其中最重要的是纖維的特性、編織紋法和線型。,63,過(guò)濾介質(zhì)-粒狀介質(zhì),有硅藻土、珍珠巖粉、細(xì)砂、活性炭、白土等。 最常用的是硅藻土,是優(yōu)良的過(guò)濾介質(zhì): 一般不與酸堿反應(yīng),化學(xué)性能穩(wěn)定; 形狀不規(guī)則,空隙大且多孔,具有很大的吸附表面; 無(wú)毒且不可壓縮,形成的過(guò)濾層阻力不隨操作壓力變化。 硅藻土過(guò)濾介質(zhì)通常有三種用法: (1)作為深層過(guò)濾介質(zhì)。硅藻土過(guò)濾層具有曲折的毛細(xì)孔道,借篩分、吸附和深層效應(yīng)作用除去懸浮液中的固體粒子,截留效果可達(dá)到1m。 (2)作為預(yù)涂層。在支持介質(zhì)的表面上預(yù)先形成一層較薄的硅藻土預(yù)涂層,用以保護(hù)支持介質(zhì)的毛細(xì)孔道不被濾餅層中的固體粒子堵塞。 (3)用作助濾劑。,64,過(guò)濾介質(zhì)-多孔固體介質(zhì),如多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔塑料等,可加工成板狀或管狀,孔隙很小且耐腐蝕,常用于過(guò)濾含有少量微粒的懸浮液。,65,典型過(guò)濾設(shè)備:,按操作方式分類(lèi):間歇過(guò)濾機(jī)、連續(xù)過(guò)濾機(jī),按操作壓強(qiáng)差分類(lèi):壓濾、吸濾和離心過(guò)濾,實(shí)驗(yàn)室用抽濾裝置 板框壓濾機(jī)(間歇操作) 轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)(連續(xù)操作) 過(guò)濾式離心機(jī),固液分離過(guò)濾設(shè)備,66,1)實(shí)驗(yàn)室用抽濾裝置,67,2)板框壓濾機(jī) plate and frame filter,板框壓濾機(jī)的過(guò)濾推動(dòng)力來(lái)自泵產(chǎn)生的液壓或進(jìn)料貯槽中的氣壓。,廣泛應(yīng)用于培養(yǎng)基制備的過(guò)濾及霉菌、放線菌、酵母菌和細(xì)菌等多種發(fā)酵液的固液分離。 適合于固體含量1-10%的懸浮液的分離。,68,板框壓濾機(jī),包括板和框,多做成正方形,角端均開(kāi)有小孔,裝合壓緊后即構(gòu)成供濾漿或洗水流通的孔道。框的兩側(cè)覆以濾布,空框與濾布圍成了容納濾漿及濾餅的空間,濾板用以支撐濾布并提供濾液流出的通道。,69,板框式壓濾機(jī)在過(guò)濾時(shí),懸浮液由離心泵或齒輪泵經(jīng)濾漿通道打人框內(nèi),濾液穿過(guò)濾框兩側(cè)濾布,沿相鄰濾板溝槽流至濾液出口,固體則被截留于框內(nèi)形成濾餅。濾餅充滿濾框后停止過(guò)濾。,70,板框壓濾機(jī),優(yōu)點(diǎn),過(guò)濾面積大,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格低,動(dòng)力消耗少, 對(duì)不同過(guò)濾特性的發(fā)酵液適應(yīng)性強(qiáng)。 它最重要的特征是通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的壓力降可以 超過(guò)0.1MPa,這是真空過(guò)濾器無(wú)法達(dá)到的。,缺點(diǎn),不能連續(xù)操作,設(shè)備笨重,勞動(dòng)強(qiáng)度大,衛(wèi)生條件差,非過(guò)濾的輔助時(shí)間較長(zhǎng)。,71,自動(dòng)板框式壓濾機(jī),自動(dòng)板框壓濾機(jī)在板框壓緊;卸餅、清洗等操作中可自動(dòng)完成,勞動(dòng)強(qiáng)度小,輔助操作時(shí)間短。 自動(dòng)壓濾機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價(jià)格昂貴,在一定程度上限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。,72,3)真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)(rotary-drum vacuum filter),真空過(guò)濾設(shè)備以大氣與真空之間的壓力差作為過(guò)濾操作的推動(dòng)力。生物工業(yè)中,用得較多的是轉(zhuǎn)筒式真空過(guò)濾機(jī)和帶式真空過(guò)濾機(jī)。 轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)的結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)是一種連續(xù)操作的過(guò)濾設(shè)備,設(shè)備的主體是一個(gè)由篩板組成能轉(zhuǎn)動(dòng)的水平圓筒,表面有一層金屬絲網(wǎng),網(wǎng)上覆蓋濾布,圓筒內(nèi)沿徑向被筋板分隔成若干個(gè)空間。,73,轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)結(jié)構(gòu):,74,轉(zhuǎn)筒下部浸入濾漿槽中,浸沒(méi)角約900-1300,圓筒緩慢旋轉(zhuǎn)時(shí)(轉(zhuǎn)速約0.5-2rmin),筒內(nèi)每一空間相繼與分配頭中的3個(gè)室相通,可順序進(jìn)行過(guò)濾、洗滌、吸干、吹松、卸餅等項(xiàng)操作。即整個(gè)圓筒分為過(guò)濾區(qū)、洗滌及脫水區(qū),卸渣及再生區(qū)3個(gè)區(qū)域。,75,轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī),優(yōu)點(diǎn): 轉(zhuǎn)筒真空過(guò)濾機(jī)可吸濾、洗滌、卸餅、再生連續(xù)化操作,生產(chǎn)能力大,勞動(dòng)強(qiáng)度小, 缺點(diǎn): 輔助設(shè)備多,投資大, 且由于真空過(guò)濾,推動(dòng)力小(不超過(guò)8104 Pa),濾餅濕度大(2030)。 主要適用霉菌發(fā)酵液,對(duì)菌體細(xì)小、黏度大鋪助濾劑。對(duì)于濾餅阻力較大的物料適應(yīng)能力較差。,76,帶式真空過(guò)濾機(jī),帶式真空過(guò)濾機(jī)(是自動(dòng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、并能按工藝要求進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速以及操作方便和動(dòng)力消耗低的一種新型高效的脫水設(shè)備。,77,帶式真空過(guò)濾機(jī)流程,1、進(jìn)料過(guò)濾濾餅洗滌吸干卸料濾布清洗連續(xù)進(jìn)行,配有PLC控制,自動(dòng)化程度高。 2、真空過(guò)濾盤(pán)分段設(shè)計(jì),可滿足不同物料過(guò)濾、洗滌、吸干的工藝要求,濾帶運(yùn)行速度采用變頻無(wú)級(jí)調(diào)速,對(duì)不同物料有廣泛的適應(yīng)性。 3、在同一設(shè)備上可采用多次逆流洗滌得到高濃度的濾液,也可采用并流洗滌或順流洗滌獲得高純度的濾餅。,78,結(jié)構(gòu):,轉(zhuǎn)鼓(上有小孔,亦稱(chēng)懸框); 濾網(wǎng); 濾布; 機(jī)架。,原理:,由于離心力作用,液體產(chǎn)生徑向壓差,通過(guò)濾餅、濾網(wǎng)及濾筐而流出。,4)離心過(guò)濾機(jī)(centrifugal filter),79,幾種過(guò)濾設(shè)備的比較,80,5)硅藻土過(guò)濾機(jī) diatomite filter,硅藻土中的硅藻有許多不同的形狀,由于硅藻土具有細(xì)膩、松散、質(zhì)輕、多孔、吸水和滲透性強(qiáng)的特性,所以它是一種性能優(yōu)良的工業(yè)濾劑。 硅藻土過(guò)濾是以硅藻土作為過(guò)濾介質(zhì),它是一種預(yù)涂型過(guò)濾器,預(yù)涂、過(guò)濾、反沖洗是硅藻土過(guò)濾的一般工藝過(guò)程。 在釀造、飲料、酒類(lèi)和水處理等方面得到廣泛應(yīng)用。目前,國(guó)內(nèi)主要用于酒類(lèi)和飲料過(guò)濾,81,硅藻,82,硅藻土過(guò)濾機(jī),83,又稱(chēng)切向流過(guò)濾(Cross-Flow Filtration) 傳統(tǒng)過(guò)濾時(shí)過(guò)濾液體垂直于過(guò)濾介質(zhì),過(guò)濾阻力主要來(lái)之濾餅。錯(cuò)流過(guò)濾打破了傳統(tǒng)過(guò)濾的機(jī)制,即液體的流向和濾膜相切。 在壓力推動(dòng)下,懸浮液以高速在管狀濾膜的內(nèi)壁作切向流動(dòng),利用流動(dòng)的剪切作用將過(guò)濾介質(zhì)表面的固體(濾餅)移走,而附著在濾膜上的濾餅很薄,因而能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定不變的過(guò)濾速度,)錯(cuò) 流 過(guò) 濾,84,朗極化工公司膜澄清過(guò)濾和膜濃縮的“錯(cuò)流過(guò)濾系統(tǒng)” 陶瓷膜,錯(cuò) 流 過(guò) 濾,85,錯(cuò)流過(guò)濾特點(diǎn),收率高 (97-98%) 質(zhì)量好 減少處理步聚 染菌罐也能進(jìn)行處理 介質(zhì)阻力大 不能得到干濾餅 需要大的膜面積 目前適用于小分子的分離,86,(二)離心分離,對(duì)于濃度較小,粒徑較大,硬度較強(qiáng)的不溶物,可以采用過(guò)濾分離。 但當(dāng)固體顆粒細(xì)小而難以過(guò)濾時(shí),發(fā)酵液不易被過(guò)濾純化,離心操作往顯得十分有效。 離心分離是基于固體顆粒和周?chē)后w密度存在差異,在離心場(chǎng)中使不同密度的固體顆粒加速沉降的分離過(guò)程。 動(dòng)植物細(xì)胞的收集、細(xì)胞碎片和沉淀的分離等常用離心分離。,87,優(yōu)點(diǎn): 分離速度快, 分離效率高、 液相澄清度好; 缺點(diǎn): 與過(guò)濾設(shè)備相比,設(shè)備投資高、 能耗大、 離心產(chǎn)生的固體濃縮物和過(guò)濾產(chǎn)生的濃縮不同。 通常情況下離心只能得到一種較為濃縮的懸浮液或漿體。而過(guò)濾可獲得的水分含量較低的濾餅。,離心分離,88,離心力與轉(zhuǎn)速,89,離心分離顆粒沉降速度,d 顆粒直徑; p 顆粒密度; m 液體介質(zhì)密度; 液體介質(zhì)粘度; 旋轉(zhuǎn)角速度;r 轉(zhuǎn)軸中心到顆粒中心距離。,增大離心力(2r)可提高沉降速度,對(duì)沉降速度小的顆粒,提高轉(zhuǎn)速是有效的方法。 與顆粒直徑有關(guān),大顆粒容易沉降。 與顆粒密度和介質(zhì)密度之差(p-m)成正比,隨介質(zhì)粘度增大而減小。,90,按速度和離心力: 1、常速離心機(jī) 最大轉(zhuǎn)速8000rpm(r/min),相對(duì)離心力(RCF)104g以下,用于細(xì)胞、菌體和培養(yǎng)基殘?jiān)确蛛x; 2、高速(冷凍)離心機(jī) 1104-2.5104rpm,相對(duì)離心力104105g,用于細(xì)胞碎片、較大細(xì)胞器、大分子沉淀物等分離; 3、超速離心機(jī) 轉(zhuǎn)速2.5-8104rpm,相對(duì)離心力5*105g;用于DNA、RNA蛋白質(zhì)、細(xì)胞器、病毒分離純化;檢測(cè)純度;沉降系數(shù)和相對(duì)分子量測(cè)定等。,離心機(jī)的種類(lèi)與用途,對(duì)于常速和高速離心機(jī),由于所分離的顆粒大小和密度相差較大,只要選擇好離心速度和時(shí)間,就能達(dá)到分離效果。超速離心的離心方法:差速離心、密度梯度離心和等密度梯度離心。,91,按離心機(jī)的作用方式: 斜角式 平拋式 管式 蝶式 螺旋式 多室,離心機(jī)的種類(lèi)與用途,92,1)斜角式離心機(jī) 是一類(lèi)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室常用離心機(jī), 指離心管腔與轉(zhuǎn)軸成一定傾角的轉(zhuǎn)子; 角度越大,沉降越結(jié)實(shí),分離效果越好, 角度越小,顆粒沉降距離短,沉降速度快,但分離效果差。 顆粒在角轉(zhuǎn)子中沉降時(shí), 先沿離心力方向撞向離心管, 然后再沿管壁滑向管底, 因此管的一側(cè)會(huì)出現(xiàn)顆粒沉積。,93,1)斜角式離心機(jī),結(jié)構(gòu)穩(wěn)定, 可裝載較多的樣品 使用較高的轉(zhuǎn)速。 加速或減速時(shí),對(duì)樣品有攪動(dòng)。 有些梯度離心要求用角轉(zhuǎn)頭,否則形成的梯度不均一,線性很差,94,2)平拋式離心機(jī) 平拋式離心機(jī)一類(lèi)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室常用的低中速離心機(jī),轉(zhuǎn)速一般在 3000-6000rpm。 轉(zhuǎn)子活動(dòng)管套內(nèi)的離心管,靜止時(shí)垂直掛在轉(zhuǎn)頭上,旋轉(zhuǎn)時(shí)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),從垂直懸吊上升到水平位置(約200800rpm)。 顆粒在水平轉(zhuǎn)子中的沉降是沿管子軸向移動(dòng)。 樣品便于收集 受振動(dòng)和變速攪亂后對(duì)流現(xiàn)象小, 但轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜,最高轉(zhuǎn)速相對(duì)要低 容量也小一些。,95,平拋式離心機(jī)轉(zhuǎn)子,96,)管式離心機(jī) (tubular-bowl centrifuge),管式離心機(jī)具有一個(gè)細(xì)長(zhǎng)而高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓, 轉(zhuǎn)鼓內(nèi)裝有縱向平板, 其下部有進(jìn)料口。上部?jī)蓚?cè)有重液相和輕液相出口。,97,管式離心機(jī),待處理的物料在一定壓力(3104 Pa左右)下由進(jìn)料管經(jīng)底部空心軸進(jìn)入鼓內(nèi), 靠擋板分布于鼓的四周,并使料液迅速達(dá)到與轉(zhuǎn)鼓相同的角速度。 轉(zhuǎn)鼓帶動(dòng)物料高速旋轉(zhuǎn),在離心力下,懸浮液沿轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁向上流動(dòng)的,料液在離心力場(chǎng)的作用下因其密度差的存在而分離。 澄清后的液相流動(dòng)到轉(zhuǎn)鼓上部的排液口排出。 比重大的固體微粒逐漸沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁形成 沉渣層,達(dá)到一定數(shù)量后,停機(jī)人工清除。,98,管式離心機(jī)特點(diǎn): 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 可提供較大離心力,轉(zhuǎn)速高,分離因數(shù)高達(dá)15000-65000。 管狀離心機(jī)可以冷卻,有利蛋白質(zhì)分離 間歇操作,須定時(shí)拆卸、清洗 適用于于分離乳濁液及含細(xì)顆粒的稀懸浮液,適用于固含量低于1%,顆粒度小于5微米,黏度大的懸浮液澄清或固液兩相密度差較小的分離。,99,4)碟片式離心機(jī)disk-bowl centrifuge,是在管式離心機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,在轉(zhuǎn)鼓中加入了許多重迭的碟片,縮短了顆粒的沉降距離,提高了分離效率。 是生物工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的一種離心機(jī) 有一個(gè)密封的轉(zhuǎn)鼓,內(nèi)裝十至上百個(gè)錐頂角為60100錐形碟片。 碟片間的距離一般為0.5-2.5mm,100,碟片式離心機(jī)工作原理,當(dāng)懸浮液在動(dòng)壓頭的作用下,經(jīng)中心管流入高速旋轉(zhuǎn)的碟片之間的間隙時(shí),便產(chǎn)生了慣性離心力, 其中密度較大的固體顆粒在離心力作用下向上層碟片的下表面運(yùn)動(dòng),而后在離心力作用下被向外甩出,沿碟片下表面向轉(zhuǎn)子外圍下滑, 而液體則由于密度小,在后續(xù)液體的推動(dòng)下沿著碟片的隙道向轉(zhuǎn)子中心流動(dòng),然后沿中心軸上升,從套管中排出,達(dá)到分離的目的,101,碟片式離心機(jī)類(lèi)型,人工排渣的碟片離心機(jī) 碟片上不開(kāi)孔,只有一個(gè)清液排出口。沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的沉渣,間歇排出。只適用于固體顆粒含量很少的懸浮液。 噴嘴排渣的碟片離心機(jī):當(dāng)固體顆

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